JP4334143B2 - ガスタービン用要素 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景と従来技術）
本発明は軸線の周りを回転可能なロータを有する回転機械用のブレードおよび羽根の一方を画成する要素であって、冷却流体用の通路を形成し、相互に対面する第１と第２の壁によって制限される内部空間と、前記第１の壁から突出し、基本的に相互に対して平行に延び、前記内部空間の先行入口部分から該内部空間の後行出口部分までの前記流体用の第１の流路を形成する少なくとも１個の第１のリブとを含む要素に関する。
【０００２】
本発明はロータのブレード並びにステータの案内羽根に適用可能ではあるが、本発明は判り易くするために以下の説明については単にブレードについて言及する。冷却流体源に接続され、前記流体用の通路を形成する内部空間すなわち空洞を備えたガスタービン用のロータブレードを提供することが知られている。そのようなガスタービンのブレードが米国特許第３８５４８４２号および同第４１９３７３８号に開示されている。
【０００３】
しかしながら、周知のブレードのそのような冷却流体用通路は空気の流量が制限されており厚さの薄い空洞を形成することが困難なため冷却空気の速度は可成り低くなりうる。冷却空気の流速が低いため、可能な冷却効果は極めて低い。
【０００４】
冷却効果を上げるために、英国特許第１４１００１４号はブレードの内部空間の第１の壁において相互に対して平行に延びる第１の組のリブと、前記ブレードの内部空間の第２の反対側の壁において相互に対して平行に延びる第２の組のリブを設けることを提案している。リブはロータの回転軸に対して傾斜し、第１の組のリブが第２の組のリブと交差するように配置されている。そのような解決によって、ブレードの内部空洞の厚さを減少させることなく冷却通路の流れ領域を著しく減少させることが出来る。
【０００５】
しかしながら、このような周知の方法には重大な欠点がある。通常のロータのブレードにおいては、入口領域すなわちブレードの先行部分あるいは中間部分における冷却通路の流れ領域は出口領域における冷却通路の流れ領域、すなわちブレードの後行部分における流れ領域よりも著しく大きい。その理由は内部空洞の厚さがブレードあるいは羽根の中央部分において冷却通路の出口を形成する後行端におけるよりも大きいためである。このことは、冷却空気の流速がブレードの先行および中間部分において、ブレードの後行部分におけるよりも低い、すなわち前記先行および中間部分における冷却効果が不十分であることを意味する。
【０００６】
（発明の要約）
本発明の目的は前述の欠点を克服し、ガスタービンあるいは何れかの類似の回転機械用のロータブレードあるいはステータの案内羽根の冷却効果を改良することである。
【０００７】
前記目的は、前記第１のリブが前記先行部分において前記軸線に対する第１の傾斜角度を形成する第１の方向と、前記後行部分において前記軸線に対する第２の傾斜角度を形成する第２の方向において延び、前記第１の角度が前記第２の角度より大きいことを特徴とする、最初に述べた要素によって達成される。前記リブ、従って前記流路の先行領域における冷却流体の流路の傾斜を増大することによって、前記流路の流れ領域が著しく減少し、すなわち速度と伝熱性が上昇し、従って、ブレードあるいは羽根のより有効な冷却が得られる。そのように本発明に従って比較的簡単な手段によって達成される冷却効率の向上は、ブレードあるいは羽根の寿命や安定性を増大させる。更に、ロータのブレードあるいはステータの案内羽根の先行部分および中間部分におけるリブの大きい傾斜角度がブレードあるいは羽根の剛性、したがって強度や安定性を増大させることに注目すべきである。
【０００８】
本発明の実施例によると、第２のリブが前記第２の壁から突出し、相互に対して基本的に平行に延び、前記先行入口部分から前記後行出口部分までの前記流体のための第２の流路を形成し、前記第２のリブは前記先行部分において前記軸線に対して第３の傾斜角度を形成する第３の方向と前記後行部分において前記軸線に対して第４の傾斜角度を形成する第４の方向において延び、前記第３の角度が前記第４の角度より大きい。そのような流路の配置によって、冷却流体はブレードあるい羽根において均一に分配可能であって、そのためブレードあるいは羽根の全ての部分の十分な冷却を保証する。そのため、第１のリブの方向は第２のリブの方向と交差し、すなわち第１のリブが先行部分から上方に傾斜し、一方第２のリブが先行部分から下方へ傾斜するようにしうる。そのような配置によって、第２のリブは第１の流路において乱流を促進し、第１のリブは第２の流路において乱流を促進する。
【０００９】
本発明の別の実施例によると、第１のリブは前記交点において第２のリブに接合されている。そのようにして、ブレードあるいは羽根の強度は連続した内部空間と比較して顕著に改良される。
【００１０】
本発明の別の実施例によると、前記第１と第３の角度の絶対値は基本的に少なくとも交点においては等しい。更に、前記第２と第４の角度もまた交点において基本的には等しい。
【００１１】
本発明の別の実施例によると、第１のリブは前記要素の吸引側に設けられ、前記軸線からおよび前記流路の入口部分から上方に傾斜し、第２のリブは前記要素の圧力側に設けられ、前記軸線に向って下方へ前記流路の入口部分から傾斜している。そのような配置によって、空気流の伝熱強度はロータブレードの圧力側においてより大きく、そのためロータブレードの吸引側よりも温度がより高い圧力側の冷却効果を増大させる。
【００１２】
本発明の別の実施例によると、前記リブは空隙によって先行組のリブと後行組のリブとに分割される。そのような空隙によって、冷却流体の流れのより均一な分配が得られうる。そのため、前記流路の少なくとも１個に突出要素を設け、冷却流体の乱流を増大させ、そのため冷却効率を向上するように配置可能である。更に、前記突出要素は前記先行組および後行組のリブの少なくとも一方の入口ゾーンに設けることができる。突出要素はリブ要素として形成し、該リブ要素は前記第１および第２の壁の一方から突出し、実際の組のリブの入口縁部ラインに対して平行の方向に延びうる。
【００１３】
本発明の更に別の実施例によると、第１の傾斜角度は４０から８０度の間であり、好ましくは６０から８０度の間であり、第２の傾斜角度は１０から５０度の間である。
【００１４】
単に例示として説明した種々の実施例に関連し、かつ添付図面を参照して本発明を以下説明する。
【００１５】
（種々実施例の詳細説明）
図１と図２とはガスタービンのロータシャフト３に接続された根元部分２を備えたロータブレード１を示している。ロータシャフト３は回転軸線ｘの周りで回転可能である。ロータシャフト３とロータブレード１とはケーシング４に密閉されたロータを形成する。ケーシング４とロータとは、ガスが矢印Ａの方向に流れる流路５を画成している。
【００１６】
ロータブレード１は、冷却流体の通路を形成し、第１の壁７と該第１の壁７と対向する第２の壁８とによって制限されている内部空間すなわち空洞６を含む。第１の壁７はロータブレード１の吸引側を形成し、第２の壁８はロータブレード１の圧力側を形成する。ロータブレード１は先行端すなわち先行部分９と後行端すなわち後行部分とを有し、それらはロータブレード１の面に沿った流れ方向を指示する。前記内部空間６は入口流路１１に接続され、該入口流路１１はロータブレード１の先行部分９へ入り、例えばガスタービンの圧縮機(図示せず)である、冷却加圧空気源から前記根元部分２を貫通している。更に、内部空間６は第１と第２の壁８の間でロータブレード１の後行部分１０に形成された出口１２に接続されている。出口１２はロータブレード１の全長に亘って延びている。
【００１７】
本発明によると、内部空間６は第１の壁７に設けられた第１のリブと第２の壁８に設けられた第２のリブとを含む。第１のリブは先行組のリブ１３′と後行組のリブ１３″とからなる。先行組のリブ１３′は基本的に相互に対して平行に延び、後行組のリブ１３″も同様に延びている。また、第２のリブは先行組のリブ１４′と後行組のリブ１４″とからなり、先行組のリブ１４は、後行組のリブ１４″と同様に、基本的に相互に対して平行に延びている。先行組のリブ１３′と１４′とは先行部分９と先行部分９と後行部分１０との間の中間部分とを延びている。但し、前記中間部分は判り易くするために以下の説明においてはブレード１の先行部分９と称している。
【００１８】
先行組のリブ１３′は回転軸線ｘに対する第１の傾斜角度ａを形成する第１の方向に延び、後行組のリブ１３″は回転軸線ｘに対して第２の傾斜角度ｂを形成する第２の方向に延びている。図１から明らかなように、第１の角度ａは第２の角度ｂよりも大きい。同様に、先行組のリブ１４′は回転軸線ｘに対して第３の傾斜角度ｃを形成する第３の方向に延び、後行組のリブ１３″は回転軸線ｘに対して第４の傾斜角度ｄを形成する第４の方向に延びており、前記第３の角度ｃは第４の角度ｄよりも大きい。第１の角度ａと第３の角度ｃの絶対値とは基本的に等しく、第２の角度ｂと第４の角度ｄとの絶対値は基本的に等しいことに注目すべきである。開示したようなリブの配置によって、第１のリブ１３′、１３″は第１の方向に延び、第２のリブ１４′、１４″によって形成された対応する流路と交差する流路を形成している。第１と第２の方向は、リブ１３′、１３″および１４′、１４″とが相互に交差するように相互に交差し、交点において相互に接合されている。
【００１９】
図１から明らかなように、先行部分９の各流路が後行部分１０における２個の流路に分割されるような仕方で、後行部分１０においては先行部分９におけるより２倍の第１および第２のリブ１３′、１３″、１４′、１４″を設けることが出来る。このような開示した配置によって、より厚い先行部分９、ブレード１の中間部分、並びにより薄い後行部分１０において基本的に均一な流速を達成することが可能である。
【００２０】
図３と図４とは先行組のリブ１３′、１４′が後行組のリブ１３″、１４″から空隙１５によって分離されている本発明の第２の実施例を示している。そのような空隙１５によって、先行部分９の流路からの冷却流体を後行部分１０の流路内へ均一に分配することが可能である。
【００２１】
図５と図６とは突出リブ１６が後行部分１０の各流路の入口ゾーンに設けられている本発明の第３の実施例を示す。そのような突出リブ１６により、後行部分１０の流路における乱流が増大でき、それによって冷却効果を改善可能である。リブ１６はそれぞれ第３と第４の方向に対して基本的に垂直の方向に延びる。
【００２２】
図７と図８とは、突出リブ１８が後行部分１０の流路の入口縁部ライン１９に対して基本的に平行な方向に延びている第４の実施例を示す。
【００２３】
そのような突出リブ１６、１８あるいはいずれかの類似の突出要素をまた先行部分９の流路において代替的に、あるいは補完関係で設けうることを注目すべきである。さらに、突出要素は流路の入口ゾーンに設けられるだけでなく、また該流路のどこに設けられてもよい。
【００２４】
本発明は開示した実施例に限定されるのではなく、特許請求の範囲内で変更および修正が可能である。
【００２５】
例えば、リブ１３′、１３″、１４′、１４″は、それぞれ傾斜角度がそれぞれ第１の角度ａおよび第３の角度ｃから第２の角度ｂおよび第４の角度ｄに変更した曲線からなる連続した軌跡に沿って延びるようにしうる。
【００２６】
前記要素をステータの羽根に適用した場合、第１のリブを当該要素の吸引側に設け、前記流路の先行部分から前記軸線まで下方に傾斜するようにし、前記第２のリブは当該要素の圧力側に設け。前記流路の先行部分から前記軸線から上方に傾斜するようにしうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例によるブレードの縦断面図である。
【図２】 図１に示すブレードの線ＩＩ−ＩＩに沿って見た断面図である。
【図３】 本発明の第２の実施例によるブレードの縦断面図である。
【図４】 図３に示すブレードの線ＩＶ−ＩＶに沿って見た断面図である。
【図５】 本発明の第３の実施例によるブレードの縦断面図である。
【図６】 図５に示すブレードの線ＶＩ−ＶＩに沿って見た断面図である。
【図７】 本発明の第４の実施例によるブレードの縦断面図である。
【図８】 図７に示すブレードの線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿って見た断面図である。

Claims (11)

1. 軸線（ｘ）の周りで回転可能なロータ（３）を有する回転機械用のブレードと羽根の一方を画成する要素であって、前記要素（１）が、
   冷却流体のための通路であって、相互に対面する第１と第２の壁（７、８）とによって制限される通路を形成する内部空間（６）と、
   前記第１の壁（７）から突出し、かつ基本的に相互に対して平行に延び、前記内部空間の先行入口部分（９）から前記内部空間の後行出口部分（１０）までの前記流体のための第１の流路を形成する第１のリブ（１３′、１３″）にして、前記先行入口部分における先行組の第１のリブ（１３’）と前記後行出口部分の後行組の第１のリブ（１３”）に分割されている第１のリブ（１３′、１３″）と、
   前記第２の壁（８）から突出し、かつ基本的に相互に対して平行に延び前記先行入口部分（９）から前記後行出口部分（１０）までの前記流体用の第２の流路を形成する第２のリブ（１４′、１４″）にして、前記第２のリブが前記先行入口部分における先行組の第２のリブ（１４’）と後行出口部分における後行組の第２のリブ（１４”）とに分割される第２のリブ（１４′、１４″）とを含む要素において、
   前記第１のリブ（１３′）が前記先行部分（９）において前記軸線（ｘ）に対する第１の傾斜角度（ａ）を形成する第１の方向と、前記後行部分（１０）において前記軸線（ｘ）に対して第２の傾斜角度（ｂ）を形成する第２の方向に延びており、前記第１の角度（ａ）が第２の角度（ｂ）より大きいこと、
   前記先行組の第２のリブ（１４′）が前記先行部分（９）において前記軸線（ｘ）に対する第３の傾斜角度（ｃ）を形成する第３の方向に延び、前記後行組の第２のリブ（１４”）が前記後行部分（１０）において前記軸線（ｘ）に対する第４の傾斜角度（ｄ）を形成する第４の方向に延び、さらに、前記第３の角度（ｃ）が前記第４の角度（ｄ）よりも大きく、
   前記第１のリブ（１３′、１３″）の方向が前記第２のリブ（１４′、１４″）の方向と交差し、そして
   前記第１のリブ（１３′、１３″）が前記交点において前記第２のリブ（１４′、１４″）に接合されていることを特徴とする要素。
2. 前記第１と第３の角度（ａ，ｃ）の絶対値が少なくとも前記交点において基本的に等しいことを特徴とする請求項１に記載の要素。
3. 前記第２と第４の角度（ｂ，ｄ）の絶対値が少なくとも前記交点において基本的に等しいことを特徴とする請求項１および２のいずれか１項に記載の要素。
4. 前記第１のリブ（１３′、１３″）が前記要素（１）の吸引側に設けられ、前記軸線（ｘ）から、および前記流路の先行部分（９）から上方に傾斜して設けられ、前記第２のリブ（１４′、１４″）が前記要素（１）の圧力側に設けられ、前記軸線（ｘ）まで下方に、前記内部空間の先行部分（９）から傾斜していることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の要素。
5. 前記リブ（１３′、１３″、１４′、１４″）は空隙（１５）によって先行組のリブ（１３′、１４′）と後行組のリブ（１３″、１４″）とに分離されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の要素。
6. 突出要素（１６、１８）が前記流路の少なくとも１個に設けられ、冷却流体の乱流を増大するように配置されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の要素。
7. 前記突出要素（１６、１８）が前記先行組および後行組のリブ（１３′、１３″、１４′、１４″）のうちの少なくとも１個の入口ゾーン（１７）に設けられていることを特徴とする請求項５および６のいずれか１項に記載の要素。
8. 前記突出要素（１６、１８）が前記第１および第２の壁（７、８）の一方から突出したリブ要素としての形状にされていることを特徴とする請求項６および７のいずれか１項に記載の要素。
9. 前記突出要素（１８）が対応した組のリブ（１３′、１３″、１４′、１４″）の後行部分の流路の入口縁部ラインに対して平行な方向に延びていることを特徴とする請求項６および７のいずれか１項に記載の要素。
10. 前記第１の傾斜角度（ａ，ｃ）が４０度から８０度までの間であることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の要素。
11. 前記第２の傾斜角度（ｂ，ｄ）が１０度から５０度の間であることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の要素。

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